不同耐鹽高粱品種全生育期對鹽脅迫的響應

高玉坤,楊溥原,項曉冬,2,魏世林,任根增,殷叢培,梁紅凱,崔江慧,常金華

(1.河北農業大學 農學院,河北 保定 071001;2.中國林業科學研究院 林業研究所,北京 100091)

鹽脅迫會對植物的發芽、生長和產量產生不利影響[1]。土壤中的鹽分會抑制植物的生長[2],使植物提早發育、成熟,而鹽分過高則會造成植物早衰甚至死亡[3]。中國的鹽堿地面積約為0.99億hm2,且面積不斷增加,嚴重影響我國農業的可持續發展[4]。種植耐鹽植物是鹽漬化土地利用的有效途徑之一[5]。高粱(SorghumbicolorL.)是世界五大谷物作物之一,具有較強的耐鹽、耐旱、耐澇、耐貧瘠及生物產量高等優勢,可作為鹽堿地改良與利用的首選作物[6]。植物具有內部調節機制來應對環境條件的波動,利用抗氧化系統清除鹽脅迫帶來的活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)和自由基等有害物質的影響,以防止機體受到損傷[7]。Yin等[8]研究發現，抗氧化酶活性的增強,可以緩解鹽脅迫對高粱的損傷。根系不僅是植物吸收水分和養分的重要器官,還對植株起支持固定的作用,合理的根系構型及發展是根系發揮作用和提高生產力的先決條件[9]。遲春明等[10]研究發現，鹽脅迫處理顯著降低了帚用高粱幼苗地上部分和地下部分的生長,而且長時間的鹽脅迫,高粱的根長、苗高、鮮質量和干質量等都會降低。張會慧等[11]研究發現，鹽脅迫還會通過影響光合能力抑制高粱的生長。Almodares等[12]的研究表明,不同品種高粱對高鹽度的敏感性存在顯著差異。本研究測定了2個耐鹽性不同的高粱品種整個生育進程的生理及生長性狀,以期為高粱的耐鹽育種及種質資源的應用提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2018-2019年在河北農業大學溫室(E115°45′,N38°83′)內進行,選用耐鹽的甜高粱品種高粱蔗和鹽敏感性的糧飼兼用品種河農16為試驗材料。

1.2 試驗處理

取河北農業大學育種中心(E115°48′,N38°85′)田間表層10～30 cm土壤,風干后過篩,篩孔直徑0.425 mm。測量土壤鹽度,按照土壤質量添加NaCl配制成含鹽量為低鹽(S3,NaCl 3 g/kg)、中鹽(S5,NaCl 5 g/kg)和高鹽(S7,NaCl 7 g/kg)的鹽土,以原始土壤為對照(S0,CK NaCl 0 g/kg)。每個花盆(直徑: 34 cm;高: 37 cm)放置20 kg不同鹽濃度的土。選取籽粒飽滿、大小一致的種子,用1.2% HgCl2消毒處理30 min,室溫避光催芽3 d。挑選長勢均勻的幼苗,每盆種植3株,正常生長管理(25～28 ℃,16 h/8 h光照/黑暗,相對濕度70%),采用隨機區組設計,每個處理設6盆重復。每10 d澆水1.5 L(含0.5 L 1/2 Hoagland′s營養液),為避免淋溶造成鹽分降低,將托盤上的水及時倒回盆中。

1.3 樣品采集

在高粱拔節期(Elongation stage, E)收集2個高粱品種第4～6片葉,在開花期(Flowering stage, F)和成熟期(Maturity stage, M)收集第7～9片葉。成熟期根系樣品采集時,將盆中土全部倒出,去除根系周圍大塊土壤和與根系結合松散的土壤,然后用刷子去除根部表面的土壤,將根系沖洗干凈并吸干水分,放入盛有50%乙醇的塑封袋中,-20 ℃保存。在成熟期收獲各處理單株的主穗,曬干并保存于種子柜。每個處理取樣6棵,作為生物學重復。

1.4 測定指標與方法

對于每個單株,測定地上部分由下至上第三節的節長和莖粗作為基部節長(Basal internode length, Bil)和基部莖粗(Basal stem diameter, Bsd),測定株高(Plant height, Ph)、主穗長(Main panicle length, Mpl)、主穗質量(Main panicle weigth, Mpw)、千粒質量(Thousand grain weight, Tgw)。采用國家標準測定籽粒中蛋白(Grain protein content, Gpc)、脂肪(Grain fat content, Gfc)、淀粉(Grain starch content, Gsc)和單寧(Grain tannin content, Gtc)的含量[13-16]。使用根系掃描儀(EPSON Perfection V800 Photo,日本EPSON公司)掃描得到根系圖片,通過WinPHIZO程序分析,測得總根長(Total length of root,Tlen)、根面積(Root surface area, TSA)、根體積(Root volume, Vol)、平均根粗(Average root diameter, AvgD)、根尖數(Number of root tips, NumT)、分支數(Number of root branches, NumB)。

在3個生育時期,采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性,紫外吸收比色法測量過氧化氫酶(CAT)活性,氮藍四唑(NBT)光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量[17]。每天9:00-11:00測定拔節期第4～6片葉和抽穗期、成熟期第7～9片葉中部的葉綠素相對含量(SPAD)和光合參數,各處理重復測定3次。使用葉綠素測定儀(SPAD-502)測定葉片SPAD,使用LI-6400便攜式光合作用測定系統(LI 6400,美國)測定各處理植株的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)作為光合參數[18]。

1.5 數據統計

采用Microsoft Excel 2019對數據進行整理和統計分析。利用SPSS 26采用鄧肯氏新復極差法進行顯著性測驗及相關性分析。

2 結果和分析

2.1 鹽脅迫對高粱植株不同生育時期生理指標的影響

2.1.1 鹽脅迫對高粱葉片抗氧化酶活性的影響 在不同生育期,S3處理下POD、CAT酶活性達到最大值,隨著鹽脅迫程度的增加,抗氧化酶活性受到抑制而逐漸降低(表1)。其中,開花期S3處理下3種酶活性的增幅較大,相比對照高粱蔗CAT、POD、SOD酶活性分別提高49.81%,75.27%,104.17%,河農16分別提高50.80%,49.83%,90.62%。在3個生育時期,高粱蔗3種抗氧化酶活性在S3處理下均顯著高于對照。在鹽脅迫下,2個品種通過POD、SOD、CAT活性的升高,降低了活性氧對細胞膜的傷害,維持正常的生長狀態,在同一條件下3種酶活性均表現為高粱蔗>河農16。

表1 鹽脅迫對2個高粱品種保護酶活性的影響

2.1.2 鹽脅迫對高粱葉片丙二醛含量的影響 高粱蔗和河農16葉片MDA含量隨著鹽脅迫程度增加而增加(圖1)。在S7處理下,2個高粱品種MDA含量均顯著高于對照,與對照相比,拔節期、開花期、成熟期高粱蔗分別增加48.63%,47.48%,44.94%,河農16分別增加99.83%,85.61%,74.12%。同一鹽脅迫下,河農16的MDA含量高于高粱蔗,且隨鹽濃度增大,河農16的MDA含量增幅較大,說明在同等濃度鹽脅迫處理下河農16受到傷害的程度較高。

同品種同生育時期不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。圖2-4。

2.1.3 鹽脅迫對高粱葉片葉綠素相對含量的影響 隨鹽脅迫程度的加劇,2個品種SPAD值均表現為先增后降的趨勢,且均為S3處理最高(圖2),說明低鹽脅迫促進了2個品種葉綠素的積累;在同一處理下高粱蔗的SPAD值高于河農16;不同生育期不同處理2個品種葉片SPAD值均在開花期S3處理最高,其中高粱蔗為130.32,河農16為103.43。

圖2 鹽脅迫對2個高粱品種葉片葉綠素相對含量的影響

2.1.4 鹽脅迫對高粱葉片光合特性的影響 由表2可見,隨著鹽脅迫程度的增加,高粱的Pn值表現為下降的趨勢,其中拔節期S7處理顯著低于對照,高粱蔗和河農16分別較對照降低39.08%和46.89%;Ci值在不同品種表現不同,其中河農16 Ci值隨著鹽脅迫增加而不斷增加,高粱蔗Ci值則呈先降低后升高趨勢，且各生育期均于S3處理最低而S7處理最高。

表2 鹽脅迫對2個高粱品種葉片光合特性的影響

2個品種在各生育時期,Gs值隨鹽脅迫的增加而降低,不同鹽脅迫處理在不同生育期均以開花期S7處理降幅最大,高粱蔗和河農16分別較對照降低36.08%,42.17%。隨鹽脅迫程度增加Tr值下降,其中,高粱蔗在拔節期S7處理降幅最大,較對照下降43.90%,而河農16在開花期S7處理降幅最大,較對照下降30.08%。Pn值及Gs值的下降幅度均表現為高粱蔗低于河農16,表明鹽脅迫下高粱蔗的光合能力更強。

2.2 鹽脅迫對高粱植株成熟期形態指標的影響

隨著鹽脅迫程度的增加,高粱蔗的株高呈先增后降的趨勢并于S3處理達到最大值,河農16的株高則表現為下降趨勢(圖3)。在S3處理下,高粱蔗株高較對照顯著提高13.00%,而河農16則降低4.41%;在S7處理下,2個品種株高均顯著低于對照,高粱蔗和河農16分別降低16.80%和23.78%。基部節長和株高變化基本一致,隨鹽脅迫程度的加劇,高粱蔗表現為先升高后降低的趨勢并于S3處理達到最大值,而河農16表現為緩慢降低的趨勢。2個品種的基部莖粗均隨鹽脅迫增加呈先升后降的趨勢,均在S3處理下達到最大值且顯著高于對照。表明低鹽處理能刺激不同耐鹽性高粱基部莖節的增粗,促進耐鹽品種的株高和基部節長的增加。

2.3 鹽脅迫對高粱成熟期根系性狀的影響

在逆境條件下根系能通過改變形態及分布來適應環境。隨著鹽脅迫程度的增加,總根長、根面積、根體積、根尖數、分支數均基本呈現低鹽處理S3顯著升高或變化不顯著(河農16的根體積)而后逐漸降低的趨勢,而平均根粗則呈現先降低后升高的趨勢;同一濃度鹽處理下,總根長、根面積(S7處理除外)、根尖數和分支數均表現為高粱蔗高于河農16,根體積(S5處理除外)和平均根粗表現為河農16高于高粱蔗。

由圖4可看出,高粱蔗在S3和S5處理下總根長顯著高于對照,而河農16僅在S3處理下顯著高于對照;在S7處理下,高粱蔗和河農16的總根長與對照相比分別下降33.67%,45.24%。2個品種根面積在S3處理下均達到最大,高粱蔗和河農16分別為4 621.153,4 396.713 cm2。根尖數與根面積的變化趨勢相同,在不同處理之間全部表現出顯著差異。2個品種的分支數均表現為先增加后降低的趨勢,在S3處理下達到最大值,高粱蔗和河農16分別為420 823,159 666個。高粱蔗和河農16根體積在S7處理與對照相比分別下降28.30%,34.72%。平均根粗在高粱蔗不同處理間無顯著差異,在河農16中對照顯著高于鹽處理。低鹽脅迫對高粱根系的生長發育有促進作用,但過高濃度的鹽脅迫則會抑制根系的生長。2個品種根系的總根長、根面積、根尖數均隨鹽脅迫加重表現為先升高后降低的趨勢且在S3處理下達到最大值,在S7處理下顯著低于S3處理。

圖4 鹽脅迫條件下2個高粱品種根系性狀

2.4 鹽脅迫對高粱穗部性狀及籽粒品質的影響

由表3可見,隨著鹽脅迫程度的增加，高粱主穗長和主穗質量下降,在S7處理下降幅最大,與對照相比,高粱蔗主穗長和主穗質量分別下降20.95%,40.44%,河農16分別下降25.56%,44.76%。鹽脅迫導致高粱千粒質量增加,S7處理增幅最大,高粱蔗和河農16分別較對照增加33.70%,30.03%。

表3 高粱成熟期穗部性狀及籽粒品質性狀

高粱籽粒單寧含量的變化因品種而異,高粱蔗表現為先升后降的趨勢,而河農16表現為升-降-升的趨勢,2個品種均在S3處理下增幅最大,與對照相比,高粱蔗和河農16分別增加45.28%,56.00%。隨鹽脅迫程度增加,高粱蔗籽粒蛋白先升后降且在鹽脅迫處理均顯著高于對照,而河農16則不斷降低,在S7處理較對照降低11.96%。高粱籽粒淀粉和脂肪含量隨鹽脅迫程度加劇而不斷降低,其中S7處理下2個品種的籽粒淀粉含量均顯著低于對照。說明高度鹽脅迫降低了高粱的可食用性。

2.5 鹽脅迫下2個高粱品種25個性狀相關性分析

對高粱在鹽脅迫下的各生長性狀及生理指標進行相關性分析(表4)。植株CAT與POD、SOD極顯著正相關;SPAD與POD顯著正相關、與SOD極顯著正相關,與MDA呈極顯著負相關,說明植株受到鹽脅迫后,細胞內有毒物質積累會使得抗氧化酶活性增強而葉綠素減少;Pn值和Gs值呈極顯著正相關;光合作用相關的Pn值、Gs值與抗氧化酶CAT間呈極顯著正相關,而且與抗氧化酶POD呈顯著正相關,高粱作為耐鹽的作物在應對鹽脅迫后,抗氧化酶活性與光合能力變化趨勢較一致。

表4 25個性狀的相關性系數

株高(Ph)與基部節長(Bil)呈極顯著正相關,與基部莖粗(Bsd)呈顯著負相關;株高(Ph)與平均根粗(AvgD)呈顯著負相關,與根尖數(NumT)、分支數(NumB)呈極顯著正相關。籽粒性狀中:千粒質量(Tgw)與籽粒淀粉含量(Gsc)呈極顯著負相關、與籽粒單寧含量(Gtc)呈顯著負相關,與籽粒蛋白含量(Gpc)呈顯著正相關;籽粒脂肪(Gfc)和籽粒單寧(Gtc)的品質性狀呈顯著負相關。根系性狀中:根系根尖數(NumT)與分支數(NumB)呈極顯著正相關;分支數(NumB)與根尖數(NumT)呈極顯著正相關,與總根長(Tlen)、根面積(TSA)呈顯著正相關,而與平均根粗(AvgD)呈極顯著負相關。

3 討論與結論

植物遭受非生物脅迫后,體內活性氧等有害物質增多,嚴重破壞了植物體內的正常代謝。本研究2個高粱品種受到鹽脅迫后,隨鹽濃度的升高抗氧化酶POD和CAT活性表現為先升高后降低的趨勢,且POD和CAT在低鹽脅迫下顯著高于對照。鄒春雷[19]研究也發現，一定濃度(25/50 mmol/L)的鹽脅迫處理可以提高甜菜(BetavulgarisL.)葉片的SOD和POD活性。本研究認為適宜的鹽脅迫可以有效激活抗性因子,提高植物的抗氧化能力。但鹽脅迫程度增加后,高鹽的生長條件對植物產生了不可逆轉的傷害,使高粱的抗氧化酶活性降低[20]。

鹽脅迫對葉綠素的合成有抑制作用,其影響程度取決于鹽濃度的高低和脅迫持續時間的長短,有研究發現增加水稻(OryzasativaL.)的鹽處理濃度或脅迫時間,鹽敏感的水稻品種葉綠素含量降低[21]。本研究中,隨著鹽脅迫程度的增加及生育進程推進,葉綠素含量降低,這可能是由于鹽脅迫使大量的Cl-在細胞質中聚集,葉片的葉綠素結構遭到破壞[22]。葉綠素含量降低進一步影響高粱對光能的吸收和轉化,從而導致光合速率的下降。馬翠蘭[23]研究鹽脅迫對柚(Citrusmaxima(Burm)Merr.)的影響發現,導致植物光合作用下降的因素既有氣孔因素也有非氣孔因素,氣孔限制因素即Pn值的降低伴隨著Ci值的降低,而非氣孔限制因素即Pn值的降低伴隨著Ci值的升高。本研究中,高粱受到鹽脅迫后光合能力降低,主要表現為凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均有所降低,而Ci值有所上升,這與Liu等[24]和鄒春雷[19]的研究結果一致,高粱中可能是由非氣孔限制導致的光合速率降低。

在鹽脅迫下作物的株高等有關生物量的指標是評價作物耐鹽性最直觀可靠的依據。劉愛榮等[25]同樣發現低程度的鹽脅迫可以促進金盞菊(CalendulaofficinalisL.)的生長。在低鹽脅迫下耐鹽品種高粱蔗,基部節長、基部莖粗和株高增加,這與孫飛[26]對耐鹽高粱的研究結果一致,低鹽脅迫能夠促進高粱生長。有研究表明,當土壤鹽分>4.7 g/kg時,甜高粱出苗和幼苗生長受到抑制,株高顯著降低[27]。本研究同樣發現,高粱基部節長、基部莖粗和株高受限制程度隨鹽脅迫的增加而增加。孫彩霞等[28]研究表明,在鹽脅迫下,總根長、根表面積、根體積、根尖數和平均直徑都會受到鹽分的抑制呈下降的趨勢,本研究也發現根系生長的相關性狀,隨鹽脅迫增加而變化,高粱蔗在S3處理下根部各性狀除平均根粗外均達到最高,而在S7處理下(除基部莖粗和平均根粗外)各性狀顯著降低。比較2個品種的根系參數,高粱蔗的總根長、根尖數較多,而河農16的平均根粗較大,在鹽脅迫下高粱蔗通過減小根粗,增加根尖數和總根長提高對養分和水分的吸收,以抵御逆境脅迫。相關性分析結果也表明,平均根粗與其總根長、根面積呈負相關,而且與根尖數和分支數呈極顯著負相關。本研究在高粱成熟期測定根系性狀,此時根系發育已經穩定,能夠充分說明鹽處理對根系生長的影響。

鹽分脅迫使植物光合減弱是導致作物減產的一個主要原因。本研究中,2個品種的主穗質量降低,但高粱蔗的下降程度低于河農16,鹽脅迫可使2個高粱品種的千粒質量升高,但具體的產量水平還需要大田試驗來驗證。本研究中高粱籽粒營養物質含量在不同濃度間表現出顯著差異,籽粒主要內含物之間相互轉換,變化趨勢不同。周影[29]研究發現,鹽分脅迫促進了小麥(TriticumaestivumL.)籽粒蛋白質含量的提高。說明適宜濃度的鹽分能夠改善籽粒品質,而高濃度鹽脅迫下單寧積累增多,營養物質含量下降,籽粒品質降低。

對2個耐鹽性不同的高粱品種全生育期的鹽脅迫研究發現,低鹽脅迫S3處理下,高粱抗氧化酶活性增加,凈光合速率升高,地上和地下部分的生長狀態優于對照,適度鹽脅迫能夠促進高粱的生長,改善籽粒品質。而S7處理下,高粱的葉綠素相對含量降低、MDA含量升高,根系相關性狀指標下降,高度的鹽脅迫對高粱生長有抑制作用。同一鹽脅迫下,高粱蔗的總根長、根尖數較多,而且高鹽脅迫下高粱蔗的凈光合速率、抗氧化酶活性均高于河農16,高粱蔗比河農16的耐鹽性更強,更適合在鹽堿地區種植。